DE102012014188A1

DE102012014188A1 - Kolben für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102012014188A1
Application number: DE102012014188.2A
Authority: DE
Inventors: Timo Linke
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2014-01-23
Also published as: EP2880293A1; BR112015001042A2; US20150176524A1; JP2015522136A; WO2014012530A1; CN104487687A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (13, 113) und einem Kolbenschaft (14, 114), wobei der Kolben (10, 110) einen Kolbengrundkörper (11, 111) und ein Kolbenringelement (12, 112) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbengrundkörper (11, 111) eine gegenüber der Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) radial versetzte und/oder gekippte Verbrennungsmulde (21, 121), einen Teil (19a) eines Kolbenbodens sowie den Kolbenschaft (14, 114) aufweist, dass das Kolbenringelement (12, 112) einen Teil (19b) eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg (22, 122) und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie (23, 123) aufweist, dass der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124) ausbilden, der zwischen einer äußeren Mantelfläche (25, 125) im Bereich der Verbrennungsmulde (21, 121) und einer inneren Mantelfläche (26, 126) im Bereich der Ringpartie (22, 123) ausgebildet ist, dass der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) im Bereich des Kolbenbodens (19a, 19b) eine umlaufende Fügenaht (28, 128) aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf und einem Kolbenschaft, wobei der Kolben einen Kolbengrundkörper und ein Kolbenringelement aufweist.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 111 319.7 offenbart einen Kolben mit reduzierter Bauhöhe, der aus einem Kolbengrundkörper und einem Kolbenringelement zusammengesetzt ist und eine Verbrennungsmulde aufweist, wobei der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich der Verbrennungsmulde eine umlaufende Fügenaht aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.
Problematisch hierbei ist, dass dieser Kolbenaufbau die Herstellung eines Kolbens mit nicht zentrischer (asymmetrisch) Verbrennungsmulde erschwert oder gar unmöglich macht. Hierfür müssten sowohl der Kolbengrundkörper als auch das Kolbenringelement in denjenigen Strukturbereichen, die im fertigen Kolben die asymmetrische Struktur bilden, in perfekter Abstimmung zueinander selbst asymmetrisch ausgebildet sein.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen gattungsgemäßen Kolben so weiterzuentwickeln, dass mit möglichst einfachen Mitteln ein Kolben mit asymmetrischen Aufbau der Verbrennungsmulde hergestellt werden kann.
Die Lösung besteht darin, dass der Kolbengrundkörper eine gegenüber der Mittelachse des Kolbens versetzte und/oder gekippte Verbrennungsmulde, einen Teil eines Kolbenbodens sowie den Kolbenschaft aufweist, dass das Kolbenringelement einen Teil eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie aufweist, dass der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement einen umlaufenden Kühlkanal ausbilden, der zwischen einem Wandbereich der Verbrennungsmulde und einem Wandbereich der Ringpartie ausgebildet ist, und dass der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich des Kolbenbodens eine umlaufende Fügenaht aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.
Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, einen Kolben mit einem als separatem Bauteil ausgebildeten Kolbenringelement zu versehen, wobei der umlaufende Kühlkanal zum Teil vom Kolbengrundkörper und zum Teil vom Kolbenringelement gebildet wird und wobei die Fügenaht im Bereich des Kolbenbodens angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es problemlos, einen Kolben mit einer zur Kolbenmittelachse radial versetzten und/oder gekippten Verbrennungsmulde herzustellen, da die Verbrennungsmulde vollständig vom Kolbengrundkörper gebildet wird. Es ist somit möglich, einen derartig asymmetrisch ausgebildeten Kolbengrundkörper mit einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Kolbenringelement zu verbinden. Ferner können der Kolbengrundkörper und das Kolbenringelement im Bereich des späteren Kühlkanals separat so bearbeitet werden, dass die innere Struktur des Kühlkanals und damit seine Kühlleistung an die verschiedensten Anforderungen moderner Verbrennungsmotoren angepasst werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kolbens erlaubt es, die Verbrennungsmulde um bis zu 3 mm gegenüber der Mittelachse des Kolbens versetzt anzuordnen, was bei der bisherigen Ausgestaltung des Kolbens nicht möglich war.
Wenn die Verbrennungsmulde gegenüber der Mittelachse des Kolbens gekippt angeordnet ist, kann die Mittelachse der Verbrennungsmulde mit der Mittelachse des Kolbens einen spitzen Winkel α von bis zu 10° einschließen.
Vorzugsweise verläuft die im Bereich des Kolbenbodens angeordnete Fügenaht parallel zur Mittelachse des Kolbens.
Eine Innenwand des Kühlkanals kann parallel zur Mittelachse des Kolbens verlaufen. Wenn die Verbrennungsmulde zur Mittelachse des Kolbens gekippt angeordnet ist, kann die Innenwand des Kühlkanals auch parallel zur Mittelachse der Verbrennungsmulde verlaufen. Damit wird die Kühlleistung des Kühlkanals optimiert.
Im Kühlkanal kann zusätzlich mindestens ein Wärmeleitelement vorgesehen sein, welches die an der Verbrennungsmulde bzw. am Kolbenboden besonders hohe Wärmebelastung gezielt an das Kühlöl im Kühlkanal abgibt. Damit werden die thermisch besonders stark belasteten Bereiche des erfindungsgemäßen Kolbens bevorzugt gekühlt.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen dem Kolbenkopf und dem Kolbenschaft eine umlaufende Ausnehmung ausgebildet ist. Ein derartiger Kolben mit thermisch entkoppeltem Schaft zeichnet sich durch hohe Belastbarkeit aus. Bei diesem Kolben ist der Kühlkanal in an sich bekannter Weise mit einem Verschlusselement verschlossen. Die Positionierung der Fügenaht im Bereich des Kolbenbodens hat bei einem Kolben mit thermisch entkoppelten Schaft ferner den Vorteil, dass beim Fügen von Kolbengrundkörper und Kolbenringelement möglicherweise auftretende Schweißrückstände (bspw. Schweißperlen im Zuge eines Laserschweißverfahrens) nicht im späteren Kühlkanal haften bleiben, sondern aus der noch nicht verschlossenen Öffnung austreten können.
Das Verschlusselement eines Kolbens mit thermisch entkoppeltem Schaft ist vorzugsweise im Bereich der Ringpartie am Kolbenringelement gehalten, wo es auf besonders einfache Weise befestigt werden kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Darstellung:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
2 eine Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
3 eine vergrößerte Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens im Schnitt;
4 eine Teildarstellung eines Kolbens gemäß dem Stand der Technik im Schnitt.
1 zeigt ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kolbens 10. Der Kolben 10 weist einen Kolbengrundkörper 11 und ein Kolbenringelement 12 auf. Beide Bauteile können aus jedem beliebigen metallischen Werkstoff bestehen, der zum Fügen der Bauteile geeignet ist. Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden zusammen den Kolbenkopf 13 und den Kolbenschaft 14 des Kolbens 10. Im Ausführungsbeispiel ist der Kolben 10 ein Kolben mit einem so genannten thermisch entkoppelten Kolbenschaft, d. h. dass zwischen dem Kolbenkopf 13 und dem Kolbenschaft 14 eine umlaufende Ausnehmung 15 vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch auch für Kolben ohne thermisch entkoppelten Kolbenschaft anwendbar.
Der Kolbenschaft 14 weist in an sich bekannter Weise Naben 16 mit Nabenbohrungen 17 zur Aufnahme eines Kolbenbolzens (nicht dargestellt) sowie die Naben 16 verbindende Laufflächen 18 auf.
Der Kolbengrundkörper 11 bildet ferner im Bereich des Kolbenkopfes 13 einen inneren Teil 19a eines Kolbenbodens sowie eine Verbrennungsmulde 21. Erfindungsgemäß ist im Ausführungsbeispiel die Verbrennungsmulde 21 gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 10 radial versetzt. Zur Verdeutlichung ist strichpunktiert die Anordnung einer nicht versetzten Verbrennungsmulde im Kolbenkopf 13 angedeutet. Der radiale Versatz d kann bis zu 3 mm betragen. Zusätzlich ist die Verbrennungsmulde 21 gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 10 gekippt. Dies hat zur Folge, dass die Mittelachse M des Kolbens 10 und die Mittelachse A der Verbrennungsmulde 21 einen spitzen Winkel α von vorzugsweise bis zu 10° einschließen. Der radiale Versatz d bewirkt ferner, dass der innere Teil 19a des Kolbenbodens in umlaufender Richtung in seiner radialen Breite variiert. Ferner kann die radiale Dicke der vertikalen Wand 21a der Verbrennungsmulde 21 in umlaufender Richtung variieren. Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Kolben auch eine Verbrennungsmulde aufweisen, die lediglich zur Mittelachse M des Kolbens radial versetzt oder lediglich um die Mittelachse M des Kolbens gekippt ist.
Das Kolbenringelement 12 bildet im Bereich des Kolbenkopfes 13 einen äußeren Teil 19b des Kolbenbodens und weist ferner einen umlaufenden Feuersteg 22 und eine umlaufende Ringpartie 23 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 bilden zusammen einen umlaufenden Kühlkanal 24, der zwischen einer äußeren Mantelfläche 25 im Bereich der Verbrennungsmulde 21 und einer inneren Mantelfläche 26 im Bereich der Ringpartie 23 ausgebildet ist. Da es sich bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Kolben mit einem thermisch entkoppelten Kolbenschaft handelt ist der Kühlkanal 24 in an sich bekannter Weise mit einem Verschlusselement 27 verschlossen. Das Verschlusselement 27 ist im Ausführungsbeispiel im Bereich der Ringpartie 15 am Kolbenringelement 12 gehalten.
Aufgrund des radialen Versatzes d der Verbrennungsmulde 21 variiert der Querschnitt des Kühlkanals 24 in umlaufender Richtung in seiner Größe. Eine Innenwand oder beide Innenwände des Kühlkanals 24 können parallel zur Mittelachse M des Kolbens 10 verlaufen, wie es in 1 dargestellt ist. Mindestens eine Innenwand des Kühlkanals 24 kann aber auch parallel zur Mittelachse A der Verbrennungsmulde 21 verlaufen.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kolbenringelement 12 vollständig symmetrisch, d. h. rotationssymmetrisch, ausgebildet. Die radiale Breite des äußeren Teils 19b des Kolbenbodens ist in umlaufender Richtung konstant. Das bedeutet, dass ein derartiges Kolbenringelement 12 mit in unterschiedlichem Grade asymmetrisch ausgebildeten Kolbengrundkörpern kombiniert werden kann.
Der Kolbengrundkörper 11 und das Kolbenringelement 12 sind durch Fügen, im Ausführungsbeispiel bevorzugt mittels Laserschweißen, miteinander verbunden. Dadurch ist zwischen dem inneren Teil 19a und dem äußeren Teil 19b des Kolbenbodens eine Fügenaht 28 gebildet, welche in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 10 verläuft.
2 zeigt in einer Teildarstellung den Kolbenkopf 113 eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kolbens 110. Auch bei diesem Kolben 110 bildet der Kolbengrundkörper 111 im Bereich des Kolbenkopfes 113 einen inneren Teil 119a des Kolbenbodens sowie die Verbrennungsmulde 121, welche ebenfalls gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 110 radial versetzt und gegenüber der Mittelachse M des Kolbens 110 gekippt ist. Der radiale Versatz d kann bis zu 3 mm betragen. Die Mittelachse M des Kolbens 110 und die Mittelachse A der Verbrennungsmulde 121 können einen spitzen Winkel α von vorzugsweise bis zu 10° einschließen. Auch bei diesem Kolben 110 variiert der innere Teil 119a des Kolbenbodens in umlaufender Richtung in seiner radialen Breite. Ferner kann die radiale Dicke der vertikalen Wand 121a der Verbrennungsmulde 121 in umlaufender Richtung variieren.
Das Kolbenringelement 112 bildet im Bereich des Kolbenkopfes 113 einen äußeren Teil 119b des Kolbenbodens und weist ferner einen umlaufenden Feuersteg 122 und eine umlaufende Ringpartie 123 zur Aufnahme von Kolbenringen (nicht dargestellt) auf.
Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenringelement 112 bilden zusammen einen umlaufenden Kühlkanal 124, der zwischen einer äußeren Mantelfläche 125 im Bereich der Verbrennungsmulde 121 und einer inneren Mantelfläche 126 im Bereich der Ringpartie 123 ausgebildet ist. Da es sich bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel um einen Kolben mit einem thermisch entkoppelten Kolbenschaft handelt ist der Kühlkanal 124 in an sich bekannter Weise mit einem Verschlusselement 127 verschlossen. Das Verschlusselement 127 ist im Ausführungsbeispiel im Bereich der Ringpartie 115 am Kolbenringelement 112 gehalten.
Aufgrund des radialen Versatzes d der Verbrennungsmulde 121 variiert der Querschnitt des Kühlkanals 124 in umlaufender Richtung in seiner Größe. Eine Innenwand oder beide Innenwände des Kühlkanals 124 können parallel zur Mittelachse M des Kolbens 110 verlaufen, wie es in 2 dargestellt ist. Mindestens eine Innenwand des Kühlkanals 124 kann aber auch parallel zur Mittelachse A der Verbrennungsmulde 121 verlaufen.
Der Kolbengrundkörper 111 und das Kolbenringelement 112 sind durch Fügen, im Ausführungsbeispiel bevorzugt mittels Laserschweißen, miteinander verbunden. Dadurch ist zwischen dem inneren Teil 119a und dem äußeren Teil 119b des Kolbenbodens eine Fügenaht 128 gebildet, welche in diesem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel parallel zur Mittelachse M des Kolbens 110 verläuft.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Kolbenringelement 112 ebenfalls asymmetrisch ausgebildet. Das bedeutet, dass die radiale Breite des äußeren Teils des Kolbenbodens 119b in umlaufender Richtung variiert.
Zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung ist in 4 ein Kolben 50 gemäß dem Stand der Technik dargestellt, der ebenfalls aus einem Kolbengrundkörper 51 und einem Kolbenringelement 52 zusammengesetzt ist. Bei diesem Kolben liegt die Fügenaht 55 zwischen diesen beiden Bauteilen im Wandbereich 54 der Verbrennungsmulde 53. Dieser Aufbau erschwert es zumindest sehr erheblich, einen Kolben 10, 110 mit versetzter und/oder gekippter Verbrennungsmulde 21, 121 herzustellen, wie er beispielhaft in den 1 und 2 dargestellt ist.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolbens 10, 110 erlaubt es, vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 11, 111 und Kolbenringelement 12, 112, das Innere des späteren Kühlkanals 24, 124 zu variieren, um eine optimale Kühlölströmung zu bewirken und die Kühlleistung zu verbessern.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kühlkanals 24, 124, in welchem ein Wärmeleitelement 32 ausgebildet ist, welches eine bevorzugte Wärmeleitung im Bereich des Feuerstegs in Richtung Kühlkanal 24, 124 bewirkt. Das Wärmeleitelement 32 kann bspw. beim Formen, bspw. Schmieden, des Kolbengrundkörpers einstückig eingeformt oder vor dem Fügen von Kolbengrundkörper 11, 111 und Kolbenringelement 12, 112 an der Außenfläche des Kolbengrundkörpers 11, 111 fest angebracht, bspw. verschweißt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011111319 [0002]

Claims

Kolben (10, 110) für einen Verbrennungsmotor mit einem Kolbenkopf (13, 113) und einem Kolbenschaft (14, 114), wobei der Kolben (10, 110) einen Kolbengrundkörper (11, 111) und ein Kolbenringelement (12, 112) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kolbengrundkörper (11, 111) eine gegenüber der Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) radial versetzte und/oder gekippte Verbrennungsmulde (21, 121), einen Teil (19a) eines Kolbenbodens sowie den Kolbenschaft (14, 114) aufweist, – das Kolbenringelement (12, 112) einen Teil (19b) eines Kolbenbodens, einen umlaufenden Feuersteg (22, 122) und eine mit Ringnuten versehene umlaufende Ringpartie (23, 123) aufweist, – der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) einen umlaufenden Kühlkanal (24, 124) ausbilden, der zwischen einer äußeren Mantelfläche (25, 125) im Bereich der Verbrennungsmulde (21, 121) und einer inneren Mantelfläche (26, 126) im Bereich der Ringpartie (22, 123) ausgebildet ist, – der Kolbengrundkörper (11, 111) und das Kolbenringelement (12, 112) im Bereich des Kolbenbodens (19a, 19b) eine umlaufende Fügenaht (28, 128) aufweisen, über welche sie unlösbar miteinander verbunden sind.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmulde (21, 121) um bis zu 3 mm gegenüber der Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) versetzt angeordnet ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittelachse (A) der Verbrennungsmulde (21, 121) mit der Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) einen spitzen Winkel (α) von bis zu 10° einschließt.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügenaht (28, 128) parallel zur Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand des Kühlkanals (24, 124) parallel zur Mittelachse (M) des Kolbens (10, 110) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand des Kühlkanals (10, 110) parallel zur Mittelachse (A) der Verbrennungsmulde (21, 121) verläuft.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkanal (24, 124) mindestens ein Wärmeleitelement (32) vorgesehen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kolbenkopf (13, 113) und dem Kolbenschaft (14, 114) eine umlaufende Ausnehmung (15) ausgebildet ist und dass der Kühlkanal (24, 124) mit einem Verschlusselement (27, 127) verschlossen ist.
Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (27, 127) im Bereich der Ringpartie (15, 115) am Kolbenringelement (12, 112) gehalten ist.